[發明專利]光聲光譜檢測系統及方法

在審

• 申請號: 201810282480.3
• 申請日: 2018-04-02
• 公開（公告）號: CN110346300A
• 公開（公告）日: 2019-10-18
• 發明（設計）人: 陳力
• 申請（專利權）人: 南京諾威爾光電系統有限公司
• 主分類號: G01N21/17
• 分類號: G01N21/17;G01N21/01
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

本發明涉及一種光聲光譜檢測系統及方法，系統采用廣譜光源，結合光譜色散器件與空間光調控器進行光束強度與波長的高頻調制，取消了機械斬波器，減小了系統體積和重量，提高了穩定性，大幅降低了背景噪聲。

技術領域

本發明涉及一種光聲光譜檢測系統及方法，特別是針對廣譜光源，采用非機械方法實現激勵光源的高頻率強度與波長調制，屬精密光譜檢測技術領域。

背景技術

隨著經濟的飛速發展，環境污染問題曰益嚴重，空氣質量嚴重下降，霧霾現象頻繁發生，其主要來源于各種污染氣體的排放。其中，大氣污染物主要有一氧化碳，二氧化硫和氮氧化物等有害氣體。這些氣體存在于空氣當中，如果不及時發現和解決，將會對人們的身體健康和日常生活造成很大的影響，因此對環境的監測和治理已經成為非常重要的任務。同時工業生產中有害與危險氣體的泄露也是重大安全事故的直接引發者，會帶來經濟和人身安全上的巨大損失。

目前，痕量氣體的高精度檢測技術包括非光學手段，如電化學傳感器、氣敏法、熱催化發、氣相色譜法等，這些方法檢測精度可以達到ppm量級，但與光學檢測方法相比，非光學檢測方法的傳感器使用壽命短，動態范圍窄，收集采樣和處理時間慢，不適合在線實時檢測。光學檢測方法具有靈敏度和可靠性高及可在線實時檢測等優點，是氣體檢測的理想方法。近年來光學檢測方法的新技術相繼出現，如波長調制吸收光譜技術、腔衰蕩吸收光譜技術、腔增強吸收光譜技術和光聲光譜技術等。光聲光譜測量技術是基于光聲效應的一種間接吸收光譜法，其原理是，當物質分子受到光照射時，分子因吸收光能而被激發到高能態，然后通過非輻射消激發過程使吸收的光能轉變為分子的動能。如果照射光束經過周期性調制，則在物質內產生周期性的溫度變化并導致壓力的周期性變化，因而產生聲波即光聲信號。光聲信號的頻率與光調制頻率相同，其強度和相位則取決于物質的光學、熱學、彈性及周邊空間的幾何特性等。由于光聲信號直接正比于物質吸收的光能，而不同成分的物質具有不同波長的吸收峰值，因此當具有連續寬光譜的光源照射樣品時，樣品內不同成分的物質將在吸收峰相對應的光波波長處產生較強的光聲信號，通過分析光聲信號隨波長的變化，可以得到物質的光聲光譜。光聲光譜技術具有無背景噪聲干擾的特點，不受光的反射和散射影響，檢測靈敏度最高可以達到ppt量級，并適用于氣體、液體、固體、粉末等各種樣品的檢測。

光聲光譜裝置的一個重要組成部件是激勵光源，要求高能廣譜。可調諧激光器雖是最理想的光源，具有單色、可直接調制的優點。但其光譜覆蓋范圍窄，價格昂貴，不利于應用推廣。因此目前主流還是采用熱光源，如氙燈、鹵素燈、紅外燈、電弧燈等。對于此類廣譜光源，波長的選擇通常采用窄帶濾波片。濾波片的透射損耗大，不能連續改變，且價格昂貴。為了提高檢測靈敏度和降低各種噪聲干擾，光聲光譜系統通常希望采用較高調制頻率。但由于上述熱光源的熱慣性大，不能采用驅動源直接進行調制，故多采用機械斬波器。但斬波器的體積大，調制頻率相對低，頻率穩定性差。因此亟需新型激勵光源及調制技術。

發明內容

本發明的目的就是針對目前光聲光譜檢測技術中所采用的廣譜光源的不足，提出一種新型的光聲激勵源裝置及方法。該裝置采用光譜色散器件結合空間光調控器，實現對廣譜光源的波長選擇與調控。光譜色散器件將廣譜光源按波長在空間展開，并投射到空間光調控器上。空間光調控器可以對任意波長的光進行反射方向的調制，通過周期性地將特定波長的光能量投射到光聲池中并激勵光聲信號，特定波長的光譜帶寬可以根據需要任意截取。該裝置可同時實現光的強度調制與波長調制，可以采用多種方法實現背景信號的抑制。該裝置不需采用機械斬波器和濾光片，因此系統的穩定性大幅提高，且調制頻率高，體積重量小，適合工業應用。

附圖說明

圖1為現有技術中采用熱光源激勵的光聲光譜系統示意圖，其中：

（a）為采用斬波器進行調制的光聲光譜系統示意圖；

（b）為采用可直接調制光源的光聲光譜系統示意圖；

圖2為幾種光譜色散器件的示意圖，其中：